基于FPGA的溫度模糊自適應PID控制器的設計

4 嵌入式軟件設計
基于NIOS軟核CPU的嵌入式軟件設計采用C語言編寫完成，該嵌入式軟件設計主要實現(xiàn)人機交互和模糊自適應PID控制模塊監(jiān)控兩部分功能，總體流程如圖4所示。

溫度控制系統(tǒng)上電啟動后，首先初始化系統(tǒng)，然后模糊自適應PID控制模塊讀雙口RAM1獲得控制器的初始參數(shù)信息，并進行控制運算，根據(jù)運算所得結果在顯示屏上顯示當前溫度控制系統(tǒng)的參量及溫度變化曲線等當前狀態(tài)信息，同時將這些實時控制參數(shù)及狀態(tài)信息寫入雙口RAM2保存，NIOS軟核處理器再由RAM2中讀取數(shù)據(jù)，獲得模糊自適應PID控制模塊的當前狀態(tài)信息。若由鍵盤重新輸入新的溫度設定值，則當系統(tǒng)讀取到該值時，自動查詢模糊控制規(guī)則表修改雙口RAM1中的配置參數(shù)值，重新代入模糊自適應PID控制模塊進行運算，并將新的參數(shù)值及系統(tǒng)實時狀態(tài)信息寫入雙口RAM2保存且反饋給NIOS軟核；若無鍵盤輸入。則系統(tǒng)狀態(tài)保持不變。

5 溫度模糊自適應PID控制系統(tǒng)仿真
利用MATLAB的simulink和Fuzzy logic toolbox工具箱仿真模糊自適應PID溫度控制系統(tǒng)，圖5為其仿真模型。在此，假定以恒溫箱為被控對象的傳遞函數(shù)為：[0.15，(80s+1)]exp(-2s)模糊自適應PID和傳統(tǒng)PID仿真比較，結果如圖6所示，可看出模糊自適應PID控制比傳統(tǒng)PID控制的調(diào)節(jié)時間短，響應速度快，超調(diào)量小，系統(tǒng)的動、靜態(tài)性能均有提高。

6 實際運行結果及存在問題
設定恒溫箱的目標溫度為80℃，系統(tǒng)運行中的調(diào)節(jié)時間為400 s，超調(diào)量為5％，在系統(tǒng)穩(wěn)定運行時加入階躍干擾信號，經(jīng)約300 s后系統(tǒng)重新趨于穩(wěn)定，且在此過程中產(chǎn)生的波動較小。
因此，對于具有大慣性、大滯后等特點的溫度控制系統(tǒng)，基于FPGA的溫度模糊自適應PID控制器可取得良好的控制效果且自適應能力強。但在控制器的應用過程中仍存在一些問題，如模糊規(guī)則和隸屬函數(shù)的優(yōu)化、系統(tǒng)抗干擾性能的增強等。因此，仍需進一步完善和修改該控制系統(tǒng)。

7 結論
該設計基于高密度的可編程邏輯器件FP-GA，在傳統(tǒng)PID控制器的基礎上利用模糊控制的優(yōu)點控制恒溫箱的溫度。結果表明，該控制系統(tǒng)具有良好的動、靜態(tài)性能和魯棒性能，對參數(shù)時變具有很好的適應能力，實時計算量小，調(diào)校方便，且具有良好的升級性能和靈活性。市場應用前景較好。